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计算机网络-网络层
计算机网络谢希仁第7版 第四章网络层
编辑于2020-05-18 19:48:07- 网络层
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4. 网络层
功能
1.异构网络互联
互联网由多种异构网络互连组成。若两个网络在第N层实现互连，则两个网络的N+1层及以上的层次协议相同，第N层及以下层协议可以不同
中间设备：物理层—转发器，数据链路层—网桥，网络层—路由器，网桥和路由器的结合—桥路器，网络层以上—网关
2.路由和转发
路由：网络中所有路由器使用特定的路由协议，计算出分组从源到目的地节点的路线
转发：在一个具体的路由器中，将一个输入分组根据转发表中的规则发送到输出端口的过程
3.拥塞控制：当网络内的分组数据大于从网络输出的分组数时，通信子网出现拥塞，要考虑和减少拥塞的发生
提供服务
1.虚电路服务：属于分组交换技术
2.数据报服务：简单灵活、无连接、尽最大努力交付（是不可靠交付，即不保证源主机发送的IP数据报一定 无差错/在规定时间内/按发送顺序/不会重复 交付给目的主机），可靠性工作交给主机TCP协议
区别： 虚电路服务 数据报服务 可靠通信的保证 网络 用户主机 连接的建立 必须有 不需要 终点地址 仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号 每个分组都有终点的完整地址 分组的转发 属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发 每个分组独立选择路由进行转发 结点出故障时 所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作 出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会变化 分组的顺序 总是按发送顺序到达终点 到达终点的时间不一定按发送顺序 端到端的差错处理和流量控制 主要由网络负责，也可以由用户主机负责 由用户主机负责
网际协议IP
IP地址
A类地址：0.0.0.0~127.255.255.255，默认子网掩码：255.0.0.0，最大网络数：
B类地址：128.0.0.0~191.255.255.255，默认子网掩码：255.255.0.0，最大网络数：
C类地址：192.0.0.0~223.255.255.255，默认子网掩码：255.255.255.0，最大网络数：
IP数据报
版本：4位，通信双方的IP协议版本必须一致，IPv4与IPv6规定的数据报的格式不能直接通信
首部长度：单位—32位字(4字节)，min=5(0101)—20字节(首部固定长度)，max=15(1111)—60字节，长度必须是4字节的整数倍，否则要进行填充
总长度：16位,不超过数据链路层规定的最大传送单元MTU的值, max=2^16 -1=65535字节。若目的主机不能接受要发送的数据报长度，则要进行分片
标识：16位，每个数据报有唯一标识，被切割的分片与原始数据报有相同标识
标识：3位，最低位MF—MF=1，后面还有分片；MF=0，是最后一个分片；中间位DF—DF=1，不允许分片；DF=0，允许分片
片偏移：13位，偏移单位8字节(除最后一个,每个分片的长度是8字节即64位的整数倍)，片偏移值=该分片携带字节的首字节序号/8
生存时间TTL：8位，单位—跳数，指明数据报至多可经过多少个路由器，最多255个。初始值为1表示该数据报只能在本局域网传送。路由器每次转发数据报前TTL值减一，减为0就丢弃不再转发。
首部检验和：16位，只检验数据报首部，不包括数据部分。采用16位二进制反码求和算法
有首部和数据两部分，首部—前面的固定部分：20字节，所有IP数据报必须有；后面是可变部分，最长40字节
可变部分：长度1~40字节，选项字段支持排错、测量、安全等措施
配套协议
地址解析协议ARP
1.作用：已知一个主机或路由器的IP地址，找到相应的硬件地址
2.每台主机都有一个ARP高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表
3.ARP缓存中的每个映射地址都需要设置生存时间，如十到二十分钟
4.解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。对于在不同局域网中的传输，需要借助路由器
网际控制报文协议ICMP
ICMP差错报告报文
终点不可达、时间超过、参数问题、改变路由（重定向）
不发送的情况：该报文本身、第一个分片的数据报片的所有后续数据报片、具有多播地址的数据报、具有特殊地址(如127.0.0.0, 0.0.0.0)的数据报
ICMP询问报文：回送请求和回答、时间戳请求和回答
网际组管理协议IGMP
IP层转发分组
每条路由包含信息：（目的网络地址，下一跳地址）
路由表两种特殊路由
特定主机路由：优先级高于该主机所在网络的路由，路由表会优先按照该路由指定的下一跳地址进行转发
默认路由：减小路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间
分组转发算法
1.从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N
2.若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付,不需要再经过其它的路由器,直接把数据报交付目的主机，否则就是间接交付，执行3
3.若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则执行4
4.若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则执行5
5.若路由表中有一个默认路由，则把数据传送给路由表中所指明的默认路由器，否则执行6
6.报告转发分组出错（没有默认路由，路由表不知道要把数据报发送到哪）
IP地址编址阶段
1.分类的IP地址：最基本的编址方法
2.子网的划分：最基本编址方法的改进
从网络的主机号借用若干位作为子网号，主机号减少同样的位数
两级IP地址—IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>} 增加"子网号字段" 变为三级IP地址—IP 地址 ::= { <网络号>, <子网号>,<主机号>}
只是对IP地址主机号再划分，不改变IP地址原来的网络号
子网号位数为0,1,15,16没有意义
增加了灵活性，减少了能够连接在网络上的主机总数
3.构成超网：较新的无分类编址方法CIDR
IP 地址 ::= { <网络前缀>, <主机号>}
斜线记法(CIDR记法)：在IP地址后面加上"/"，然后写上网络前缀的位数，这个位数就是地址掩码中1的个数
CIDR地址块：网络前缀相同的连续IP地址组成，知道地址块中任何一个地址，就可以知道起始地址、最大地址、地址块中的地址数
路由选择协议
内部网关协议IGP
路由信息协议RIP
特点
1.仅和相邻路由器交换信息
2.路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息
3.按固定的时间间隔交换路由信息
4.允许一条路径最多只能包含15个路由器，即最大距离为15，跳数为16时不可达
5.选择一条具有最少路由器的路由（最短路由）
6.网络出现故障时要经过较长时间才能将此信息传送到所有的路由器
7.好消息传播得快，坏消息传播的慢，导致更新过程的收敛时间过长
路由向量算法
1.先修改地址为X的相邻路由器发来的 RIP 报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为 X，并把所有的“距离”字段的值加 1
2.对修改后的RIP报文中的每一个项目，重复以下步骤：若原来的路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中；否则(在路由表中有目的网络N)，若下一跳R路由器地址为X，则把收到的项目替换原路由表中的项目；否则(下一跳路由器不是X)，若收到的项目中的距离d小于路由表中的距离，则进行更新。否则什么也不做
3.若 3 分钟还没有收到相邻Router的更新信息，则把此相邻路由器标记为不可达的路由器，即把距离置为16
4.返回
报文格式
RIP报文最大长度4+20*25=504字节，超过就要再用一个RIP报文来传送
开放最短路径优先OSPF
特点
最主要：使用分布式的链路状态协议
1.对不同类型的业务可计算出不同的路由
2.多路径间的负载平衡
3.所有在OSPF路由器间交换的分组都有鉴别功能
4.支持可变长度的子网划分和无分类的编址CIDR
5.更新过程收敛得快
和RIP的区别
1.OSPF使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息
2.OSPF发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
3.只有链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此信息。而RIP不论网络拓扑是否变化，路由器之间都要定期交换路由表信息
4.OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传送
分组类型
1.问候(Hello)分组：发现和维持邻站的可达性
2.数据库描述分组：向邻站给出自己链路状态数据库中所有链路状态项目的摘要信息
3.链路状态请求分组：向对方请求发送某些链路状态项目的详细信息
4.(核心)链路状态更新分组：用洪泛法对全网更新链路状态
5.链路状态确认分组：对链路更新分组的确认
每两个相邻路由器每隔10s交换一次1,40s没收到某相邻路由器发来的1，则认为该相邻路由器不可达。2、3、4、5用来进行链路状态数据库的同步—不同路由器的链路状态数据库内容一样。两个同步路由器称为"完全邻接的"路由器。
外部网关协议EGP
边界网关协议BGP
BGP-4的四种报文
1.OPEN（打开）：与相邻的另一个BGP发言人建立关系，使通信初始化
2.UPDATE（更新）：通告某一路由的信息，以及列出要撤销的多条路由
3.KEEPALIVE（保活）：周期性地证实邻站的连通性
4.NOTIFICATION（通知）：发送检测到的差错
特点
1.BGP协议交换路由信息的结点数量级是自治系统个数的量级，比自治系统中的网络数少很多
2.每一个自治系统中BGP发言人(或边界路由器)数目很少，自治系统间的路由选择不致过分复杂
3.BGP支持无分类域间路由选择CIDR，BGP的路由表包括目的网络前缀，下一跳路由器，到达该目的网络要经过的自治系统序列
4.BGP刚运行时，BGP的邻站交换整个BGP 的路由表。只需在发生变化时更新有变化的部分
IPv6
主要变化
1.更大的地址空间：128位，16字节，可编程空间
2.扩展的地址层次结构
3.灵活的首部格式：可选的拓展首部
4.改进的选项：首部长度固定，允许数据报包含选项的控制信息，选项放在有效载荷中
5.允许协议继续扩充
6.支持即插即用(自动配置)：不需要使用DHCP
7.支持资源的预分配：支持需要保证一定带宽和时延的应用
8.首部改为8字节对齐：首部长度必须为8字节的整数倍
字段更改
取消了 首部长度(固定为40字节)，服务类型，总长度(改为有效载荷长度)，标识、标志和片偏移，协议(改为下一个首部)，检验和，选项(改用拓展首部)字段
TTL字段改称跳数限制字段，作用一样
首部
基本首部
版本：4位，指明协议版本
通信量类：8位，区分不同的IPv6数据报的类别或优先级
流标号：20位，属于同一个流的数据报有同样的流标号
有效载荷长度：16位，最大64KB，65535字节，指明除基本首部外的字节数
下一个首部：8位，没有扩展首部时，标识基本首部后的数据应交付IP层上面的哪个高层协议；有扩展首部时，标识后面第一个扩展首部的类型
跳数限制：8位，防止数据报无限期存在。路由器转发数据报时值减1，值为0丢弃
拓展首部
种类：逐跳选项、路由选择、分片、鉴别、封装安全有效载荷、目的站选项
第一个字段是8位的"下一个首部"字段，高层首部放在最后面
其值指出扩展首部后面的字段是什么
地址
目的地址
单播：点对点通信
多播：一点对多点通信
任播：终点是一组计算机，数据报交付距离最近的一个
冒号十六进制记法
1.每个16位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔
2.数字前面的0可省略
3.允许零压缩：一连串连续的0可用一对冒号取代，只能使用一次
4.可结合使用点分十进制记法的后缀
5.CIDR的斜线表示法仍然可用
分类
地址类型 二进制前缀 IPv6记法 未指明地址 00…0（128位） ：：/128 环回地址 00…1（128位） ：：1/128 多播地址 11111111 FF00：：/8 本地链路单播地址 1111111010 FE00：：/10 站点本地单播地址 1111111011 FEC0：：/10 全球单播地址 其余所有二进制前缀
IPv4向IPv6过渡
双协议栈：一部分主机或路由器装有双协议栈：一个IPv4和一个IPv6，双协议栈主机或路由器既能和IPv4通信，又能和IPv6通信
隧道技术：在IPv6数据报要进入IPv4网络时，把IPv6数据报封装成IPv4数据报。当IPv4数据报离开IPv4网络中的隧道时，再把原来的IPv6数据报交给主机的IPv6协议栈
ICMPv6
面向报文的协议，利用报文报告差错、获取信息、探测邻站、管理多播通信
分为差错报文、信息报文、邻站发现报文(ND协议控制下发送和接收)、组成员关系报文(MLD协议控制下发送和接收)
虚拟专用网VPN
两种技术
隧道传输：定义两个内部网络的路由器之间通过Internet建立的通信隧道，使用IP-in-IP封装后在隧道中转发
加密技术：隧道发送路由器把内网IP数据报加密后，封装为外网IP数据报的数据部分，在外网中进行传输，隧道接收路由器收到数据报后，从外网IP数据报中取出数据部分，将数据报解密，还原成内网IP数据报，然后转发该数据报
与网络地址转换NAT的区别：
两者都是通过重新构建一个IP首部来实现的
VPN：将内部IP数据报加密后打包成外部IP数据报的数据部分，为了数据的保密性
NAT纯进行地址转换，为了解决本地编址的内部网络与外网通信的问题